橋墩軸線初始偏位缺陷對橋墩承載能力影響研究

韓 緒

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟水平的提高，為實現(xiàn)交通路網(wǎng)四通八達(dá)，高速公路網(wǎng)加密及國省干道改擴建的重心逐漸向山區(qū)發(fā)展。受山區(qū)地形、地貌影響，高墩、大跨橋梁逐漸增多。對于山區(qū)預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁，高墩常采用矩形空心墩。同時由于橋墩是橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)，直接承受上部結(jié)構(gòu)傳下的荷載，橋墩施工垂直度直接影響橋梁運營安全。但在施工過程中由于實際施工處理不當(dāng)?shù)仍虺霈F(xiàn)施工偏差，導(dǎo)致橋墩軸線偏位，至使橋梁結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)與設(shè)計受力狀態(tài)不吻合，從原軸心受壓狀態(tài)變?yōu)槠氖軌?，橋墩承載能力受到影響，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重偏離的情況，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全。

1 工程概況

本文以某高速公路兩跨40 m簡支T梁橋為依托，上部結(jié)構(gòu)采用5片預(yù)制T梁，T梁腹板中心距為2.3 m，梁高2.5 m；下部結(jié)構(gòu)橋墩采用等截面雙肢矩形空心墩，截面尺寸為3 m×2.5 m，墩高30 m，雙墩中心間距為8 m，蓋梁采用T型蓋梁，蓋梁頂部寬為3 m，底部寬為1.8 m，高為2.3 m，橋墩基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

2 計算荷載取值

2.1 恒載取值

根據(jù)工程數(shù)量表計算得到單片主梁所需混凝土約為43 m3，混凝土容重25 KN/m3，單片主梁恒載為1 075 KN。

2.2 活載取值

本橋采用的設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，計算梁端支反力橫向分布系數(shù)采用杠桿法(偏安全考慮，未計入多車道折減系數(shù))，3車道正載橫向分布系數(shù)計算圖如圖1所示；計算3車道正載工況下5個支座的支座反力，荷載布置圖如圖2所示。

表1 墩頂蓋梁恒載支座反力KN

圖1 3車道正載橫向分布系數(shù)計算圖

圖2 縱橋向活載布置圖

其中：η1=η5=0.5×0.6=0.3

η2=η4=0.5×(0.4+0.88+0.36)=0.82

η3=0.5×(0.12+0.64+0.64+0.12)=0.76

考慮橫向分布系數(shù)后5個支座的反力分別為：337.67 KN、312.96 KN、123.54 KN、337.67 KN。

3 有限元模型建立

3.1 計算軟件的選擇

目前結(jié)構(gòu)靜力分析相關(guān)的有限元軟件較多，其中Midas FEA為實體單元分析軟件，具有多樣化的建模方式，以及強大的分析功能；Midas Civil為一款建模高效的桿系單元分析。Midas Civil假定截面變形后仍保持平面，而在Midas FEA實體單元中，不再使用平截面假定，截面變形后的形狀通過截面上任意一點的應(yīng)變來反應(yīng)；這使得實體單元分析相對于桿系單元分析能夠更加精確模擬橋墩軸線初始缺陷，得到更為精確的計算結(jié)果，因此本文主要采用Midas FEA進行建模。

3.2 不同偏位工況模擬

橋墩承受的荷載包含橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重、橋墩自重以及橋梁正常情況下的汽車活動荷載；模擬過程中支座支反力作為外荷載，蓋梁及橋墩自重荷載在有限元模型中考慮。本文針對雙柱空心墩分2個工況建立了有限元模型，總共9個計算模型，具體如下。

工況一：最大偏位出現(xiàn)在左墩距墩底20 m截面處，不同偏移量，共5種工況，有限元模型如圖3所示。

模型1：最大偏位為15 cm；模型2：最大偏位為25 cm；模型3：最大偏位為35 cm；模型4：最大偏位為45 cm；模型5：最大偏位為55 cm；

工況二：最大偏位為15 cm時，不同高度，共4種情況，有限元模型如圖4所示。

模型6：距承臺高26 m處最大偏位為15 cm；模型7：距承臺高20 m處最大偏位為15 cm；模型8：距承臺高16 m處最大偏位為15 cm；模型9：距承臺高12 m處最大偏位為15 cm。

圖3 工況一有限元模型 圖4 工況二有限元模型

4 橋墩關(guān)鍵截面承載能力計算

4.1 關(guān)鍵截面選取

結(jié)合實際情況，選取如圖5所示5個關(guān)鍵截面進行承載能力驗算，Z1～Z5截面分別為左側(cè)橋墩距承臺頂面26 m、22 m、20 m、16 m、12 m，Y1～Y5截面分別右側(cè)橋墩距承臺頂面26 m、22 m、20 m、16 m、12 m，截面廓尺寸為順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?.5 m，壁厚0.4 m。

圖5 關(guān)鍵截面選取 圖6 有限元模型網(wǎng)格劃分

4.2 關(guān)鍵截面內(nèi)力計算

通過限元軟件Midas FEA分析計算，從計算結(jié)果中提取關(guān)鍵截面Z1～Z5、Y1～Y5在兩組數(shù)值模型中的豎向軸力Fx、繞y軸彎矩My，橋墩最大軸線偏位在20 m高處不同偏位情況下各關(guān)鍵截面內(nèi)力提取結(jié)果、最大偏位量15 cm不同高度情況下關(guān)鍵截面內(nèi)力匯總分別如表2、表3所示，表中Fx以壓力為正。x軸以豎直向上為正，y軸以內(nèi)側(cè)向外側(cè)方向為正，表中效應(yīng)值已考慮荷載組合系數(shù)與結(jié)構(gòu)重要系數(shù)。

4.3 關(guān)鍵截面承載力計算

根據(jù)《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61-2005)中第4.0.8條與第4.0.9條規(guī)定，混凝土雙向偏心受壓承載能力計算圖示如圖7；各截面偏心距e均小于允許的限值0.6 s，受壓構(gòu)件偏心距計算圖如圖8所示。

表2 工況一：最大偏位在20 m處，不同偏位關(guān)鍵截面內(nèi)力匯總

表3 工況二：最大偏位量為15 cm，不同高度關(guān)鍵截面內(nèi)力匯總

圖7 雙向偏心受壓承載能力計算圖

圖8 受壓構(gòu)件偏心距計算圖示

雙向偏心受壓構(gòu)件承載能力計算：受壓區(qū)高度和寬度按額才ecy=ey，ecx=ex確定；矩形截面偏心受壓承載力按γ0Nd≤ψfcd[(h-2ey)(b-2ex)]計算；軸心受壓構(gòu)件彎曲系數(shù)查表取ψ=0.82，fcd=22.4 MPa，橋墩軸線最大偏位在距左墩墩底20 m高處時，偏位為15 cm、25 cm、35 cm、45 cm、55 cm狀態(tài)下各截面承載能力計算結(jié)果如表4所示；最大偏位量為15 cm，不同高度26 m、20 m、16 m、10 m處關(guān)鍵截面承載能力計算結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4作出工況一、二各自五種情況的曲線對比圖。

(1)最大偏位在距左墩墩底20 m處時，不同最大偏位量所對應(yīng)的承載能力，用于分析偏移量對承載能力的影響趨勢，如圖9所示。

(2)最大偏位量均為15 cm時，12 m、16 m、20 m、26 m四個不同高度處各關(guān)鍵截面所對應(yīng)的承載能力，用于分析偏移在橋墩豎直方向上對承載能力的影響，如圖10所示。

圖9 不同偏位量關(guān)鍵截面承載力對比圖

圖10 不同高度關(guān)鍵截面承載力對比圖

表4 工況一、二關(guān)鍵截面承載能力計算結(jié)果

5 分析與結(jié)論

根據(jù)圖9可知，橋墩軸線偏位從15 cm變化到25 cm其承載力下降1/10，25～35 cm承載力下降1/5，35～45 cm承載力下降1/4，45～55 cm承載力下降1/3；根據(jù)計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，同一截面偏位量越大，橋墩承載能力越小，且增大相同幅度偏位，橋墩承載能力下降速度有明顯增加趨勢。

根據(jù)圖10可知，距墩底高12 m處發(fā)生15 cm偏位時，橋墩的承載力相對于距墩底高16 m處發(fā)生15 cm偏位時的承載力提高了1/50～1/10；距墩底高16 m處發(fā)生15 cm偏位時，橋墩的承載力相對于距墩底高22 m處發(fā)生15 cm偏位時的承載力提高1/100～1/50；距墩底高22 m處發(fā)生15 cm偏位時，橋墩的承載力相對于距墩底高26 m處發(fā)生15 cm偏位時的承載力提高了1/100～1/50；從計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，不同高度橋墩軸線發(fā)生相同的偏位，隨著最大偏位截面所處位置的提高，橋墩承載能力逐步下降。

因此，對于山區(qū)高墩橋梁，在橋墩施工過程中應(yīng)加強橋墩垂直度監(jiān)測，盡量避免橋墩偏位情況發(fā)生，若發(fā)現(xiàn)橋墩偏位應(yīng)及時進行糾偏處理，不能任其發(fā)展，墩高越高，偏位越大時橋墩承載能力越低。